Подбор сечений элементов фермы

Конструктивная  длина стержня колонны на основе заданной отметки верха перекрытия Н=10 м:

где  h₃ = 70 см – заглубление колонн ниже нулевой отметки;

h = 174 см –   высота сечения главной балки;

h_б.н. = 33 см – высота сечения балки настила;

t_н = 1 см – толщина металлического настила.

      Принимается двутавровое составное (сварное) сечение  стержня колонны  из трех листов. Для двутаврового сечения i_x = 0,43×h, а i_y = 0,24×b (h – высота сечения, b – ширина сечения).  Для обеспечения равноустойчивости  стержня колонны, относительно главных осей симметрии  (х – х и y – y), уменьшается расчетная длина колонны относительно оси y – y,  путем постановки вертикальных связей между колоннами по схеме, приведенной на рис. 11.  Расчетные длины стержня колонн:

относительно  оси x –x:    l_{lf ,x}= m×l_k = 1× 860 = 860 см,

относительно  оси y – y:   l_{lf ,y}= m×l_k/2 = 1× 860/2 = 430 см.

Задается  гибкость стержня колонны l =45.  Условная гибкость стержня:

По табл. 72 находится соответствующее значение коэффициента продольного изгиба j = 0,827.

      Геометрические  характеристики поперечного сечения  стержня колонны.

Необходимая площадь сечения:

радиусы инерции сечения: i_тр,х = l_ef,x/l = 860/45 = 19,1 см; i_тр,y = l_ef,y / l = 430/45 = 9,55;

высота  сечения (см. табл.8.1. [ 3]):    h_тр = i_тр,х/a₁ = 19,1/0,43 = 44,5 см;

ширина  сечения:  b_тр = i_тр,y/0,24 = 9,55/0,24=44,8см.

Опирание  балок на колонну. Расчет и конструирование  опорного узла балки.

Сопряжение  балок со стальными колоннами осуществляется путем их опирания сверху или примыканием сбоку к вдвойне. Такое соединение может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию балки, или жестким, передающим на колонну кроме опорной реакции еще и момент защемления балки в колонне. Шарнирное соединение широко применяется в большинстве балочных конструкций, жесткое - в каркасах многоэтажных зданий. Примеры опирания балок на колонны сверху показаны на рис. 15.

  

Рис. 15. Опирание балок на колонны 

а, б - сверху 

в - сбоку 

  

Конец балки в месте опирания ее на опору  укрепляют опорными ребрами, считая при этом, что вся опорная реакция  передается с балки на опору через  эти ребра жесткости Ребра  жесткости для передачи опорной  реакции надежно прикрепляют  к стенке сварными швами, а торец ребер жесткости либо плотно пригоняют к нижнему поясу балки (рис. 15, а), либо строгают для непосредственной передачи опорного давления на стальную колонну (рис. 15,6). Для правильной передачи давления на колонну (при конструктивном решении по рис. 15, а) центр опорной поверхности ребра надо совмещать с осью полки колонны.

Размер  опорных ребер жесткости определяют обычно из расчета на смятие торца  ребра

                                     (7.60)

Выступающая вниз часть опорного ребра обычно принимается 15-20 мм.

Помимо  проверки на смятие торца опорного ребра производится также проверка опорного участка балки на устойчивость из плоскости балки как условного  опорного стержня, включающего в  площадь расчетного сечения опорные  ребра и часть стенки балки шириной по 0,65 в каждую сторону (на рис. 15, б, а эта площадь заштрихована) и длиной, равной высоте стенки балки:                                           (7.61)

Прикрепление  опорных ребер к стенке балки  сварными швами должно быть рассчитано на полную опорную реакцию балки с учетом максимальной рабочей длины сварного Шва. Шарнирное примыкание балок сбоку по рис. 15, в) по своему конструктивному оформлению, работе и расчету не отличается от описания балок сверху по рис. 15, б.

Укрупнительный  стык балки на сварке и на болтах

      Укрупнительный  монтажный стык желательно проектировать  совмещенным (стенка и полки балки  стыкуются в одном сечении) в  середине пролета главной балки. Каждый пояс главной балки в месте  стыка перекрывается тремя накладками. Ширина верхней накладки принимается равной ширине пояса b_f, а нижних – b_f /2 – 20...40 мм. Толщина накладок устанавливается таким образом, чтобы суммарная площадь их поперечного сечения была не менее площади сечения пояса балки. Стенка перекрывается двумя листовыми накладками с толщиной равной толщине стенки, t_w.

      Высокопрочные болты изготавливаются в различном  климатическом исполнении из сталей 40Х «Селект», 38ХС, 30Х3МФ, 30х2НМФА, диаметром  от 16 до 48 мм. Наиболее распространенными являются высокопрочные болты из стали марки 40Х «Селект» по ТУ 14-1-1237-75.

      Болты следует размещать в соответствии с табл. 39 п.12.19^*, а именно шаг между центрами болтов в соединении устанавливается: минимальный – 2,5d, максимальный – 8d и 12t; расстояния от центра болта до края накладки: минимальное вдоль усилия – 2d, поперек усилия – 1,5d, максимальное 4d и 8t, где d – диаметр отверстия для болта; t – толщина наиболее тонкого наружного элемента. Для облегчения пользования кондукторами  для сверления отверстий шаг и дорожки необходимо применять кратными 40 мм.

      Пример:   Укрупнительный стык размещается в  середине пролета  балки (х = 7,5 м). Усилия M и Q в расчетном сечении: М₁ = 5377,5 кН×м; Q₁ = 0 (см. п. 2.8). Конструкция стыка представлена на рис.10.

      Каждый  пояс балки перекрывается тремя листовыми накладками –  одной сверху и двумя снизу. Сечение верхней накладки принимается 500 х 14 мм, а нижних – 220 ´ 14 мм. Суммарная площадь сечения накладок:

      А_н = (50 +2×22)×1,4 = 131,6 см² > A_f =50×2,0 = 100 см².

      Стенка  балки перекрывается  двумя листовыми накладками  с толщиной равной толщине стенки, t_w = 12  мм.

      Стык  осуществляется высокопрочными болтами диаметром 20 мм из стали 40Х "селект", с временным сопротивлением материала  болта  разрыву R_bun = 1100 МПа (табл. 61); обработка поверхности газопламенная. Несущая способность одного высокопрочного болта, имеющего две плоскости трения:

      

Далее проверяется стык поясов и стык стенки. 
 

Конструирование узлов сопряжения балок

Сопряжения  балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с пониженным расположением верхних поясов второстепенных балок.

Рис. 16. Сопряжение балок шарнирное

а –  поэтажное;  б - в одном уровне на болтах; в - пониженное

Этажное сопряжение (рис. 16, а) является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь небольшие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба.

Сопряжения  в одном уровне и пониженное сопряжение способны передавать большие опорные  реакции. Неудобство сопряжения в одном  уровне (рис. 16, б) - необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и увеличивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Избежать этих неудобств можно, приварив на заводе к Торцу вспомогательной балки коротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. 16, в).

В этих сопряжениях опорная реакция  со стенки примыкающей вспомогательной  балки передается через болты  или монтажную сварку на специальное  ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве работающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок - высокопрочные болты.

Расчет  сопряжения балок заключается в  определении размеров сварных швов или числа болтов, работающих. На срез и прикрепляющих балки друг к другу. Расчетной силой является опорная реакция вспомогательной балки, увеличенная на 20 % вследствие внецентренности передачи усилия на стенку главной балки. 
 
 
 
 
 

Типы  балок и типы балочных клеток

В зависимости  от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сечения, прокатные или составные - сварные, болтовые или клепаные. Предпочтение отдается прокатным балкам как менее трудоемким, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах.

Балочные  клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный.

В упрощенной балочной клетке нагрузка на перекрытие передается через настил на балки  настила, располагаемые обычно параллельно  меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок) и через них на стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку. Из-за небольшой несущей способности настила поддерживающие его балки приходится ставить часто, что рационально лишь при небольших пролетах их. При частом размещении длинных балок возникает противоречие между получаемой мощностью и .требуемой жесткостью, что неэкономично; в нормального же типа балочной клетке нагрузка с настила передается на балки настила, которые в свою очередь передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку. Балки настила обычно принимают прокатными.

В усложненной  балочной клетке вводятся еще до полнительные, вспомогательные балки, располагаемые  между балками настила и главными балками, передающими нагрузку на колонны. В этом типе балочной клетки нагрузка передается на опоры наиболее длинно. Чтобы снизить трудоемкость перекрытия, балки настила и вспомогательные балки обычно принимаются прокатными.

Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте. Сопряжение балок может быть этажное, в одном уровне и пониженное. При этажном сопряжении балки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на главные или вспомогательные. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует наибольшей строительной высоты. При сопряжении в одном уровне верхние полки балок настила и главных балок располагаются в одном уровне, а на них опирается настил. Этот способ позволяет увеличить высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но существенно усложняет конструкцию опирания балок.

Пониженное  сопряжение применяется в балочных клетках усложненного типа. В нем  вспомогательные балки примыкают к главной ниже уровня верхнего пояса главной, на них поэтажно укладывают балки с настилом, которые располагаются над главной балкой. Этот тип сопряжения, так же как и сопряжение в одном уровне, позволяет иметь наибольшую высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия.

Основные  размеры балочной клетки в плане  и по высоте, т. е. полные размеры  площадки, расстояния между промежуточными опорами-колоннами, высота помещения  под перекрытием и отметка  верха настила (разница между  которыми определяет возможную строительную высоту перекрытия), обычно задаются технологами или архитекторами исходя из требований размещения оборудования и удобной эксплуатации помещений.